基于 ANSYS/FE-SAFE 的橋式起重機橋架結構疲勞壽命分析

朱節宏

(北海職業學院，廣西 北海536000)

0 引言

根據國家質檢總局新修訂的《中華人民共和國特種設備目錄》，起重機械仍然是特種設備的一大類別，包括橋式起重機、門式起重機、塔式起重機、流動式起重機、門座式起重機、升降機、纜索式起重機、桅桿式起重機和機械式提車設備。起重機械的設計制造、安裝、維修改造，都必須嚴格按照相關法律法規、試驗標準進行檢驗，合格后才能投入使用。金屬結構的強度、剛度、疲勞設計尤其重要，其靜、動載及穩定性等結構安全性能(可靠性)試驗指標，必須滿足整機使用壽命的要求。起重機械的工作方式具有間歇性、重復性和周期性［1］，基于這些工作性質，主要受理部件必須考慮交變載荷的影響，在實際起重機產品設計過程中，金屬結構的疲勞壽命計算是其中一項重要內容，在物理樣機制造之前進行關鍵零部件疲勞壽命(耐久性)的動強度設計，根據結構受力確定疲勞危險部位，并進行結構的優化，保證結構危險部位疲勞強度要求，真實地預測產品的壽命，實現等壽命周期設計，從而提高整機產品的可靠性。

1 橋式起重機橋架結構有限元計算

1.1 橋式起重機技術參數及橋架結構的組成

橋式起重機，又稱“行車”或“天車”，是一種橋架梁通過運行裝置直接支承在軌道上的橋架型起重機，主要由大車、起重小車和橋架組成，取物裝置懸掛在起重小車或葫蘆上，主要應用在車間、貨場和倉庫等件雜貨起重、吊裝等場合。本文所設計分析的吊鉤橋式起重機主要用在門橋式起重機司機的職業培訓及自動化實操考試，其起升機構采用電動葫蘆，安裝在小車架上，雙主梁與兩邊端梁螺栓固定。橋架結構是橋式起重機的主要受力構件，在一定的工作循環后，交變載荷的作用容易使材料發生疲勞破壞，結構失效甚至斷裂，導致嚴重的經濟損失，因此有必要對橋架結構的疲勞壽命進行有效的預測［2］。橋架結構具體如圖1 所示，整機部分技術參數如表1 所示。

圖1 橋架結構

表1 橋式起重機技術參數

1.2 橋架結構有限元計算

(1)實體建模及模型前處理

通過ANSYS Workbench 靜力分析對橋架結構進行有限元計算，是為了獲取橋架結構在實際載荷作用下的最大等效應力分布情況，為后續的應力疲勞分析做準備。前處理過程主要內容包括對橋架結構實體模型進行適當的簡化、材料屬性的添加、接觸連接的定義，以及網格的劃分［3］。橋架結構的實體建模采用的是全參數化設計軟件Creo Parametric 3.0，根據設計參數要求進行詳細的結構設計，主要是偏軌箱型主梁、 端梁和小車架的建模和整個橋架結構的裝配，走臺、護欄和操縱室等與主梁相關聯的部件進行了相應的簡化，只保留操縱室與主梁下翼板的固定槽鋼，處理后的橋架結構初始模型如圖2 所示，劃分網格后的橋架結構初始模型如圖3 所示，材料屬性見表2。

圖2 簡化后的橋架初始模型

圖3 劃分網格后的橋架結構分析模型

表2 材料屬性

(2)施加載荷及求解

以起重小車位于1/2 跨處為初始位置進行Force加載，小車架上表面主要承受電動葫蘆的重量(500 kg)和起升機構額定載重(3 000 kg)，橋架主梁下翼板則承受著操縱室、走臺及護欄的重量(1 300 kg)，因GB/T5905-2011《起重機 試驗規范和程序》要求起重機靜載試驗載荷為1.25 倍的最大起重量(橋式起重機)，所以這里起升機構的施加的載荷為3 750 kg。不考慮大車行走機構車輪的實際受力，所以車輪與大車軌道線接觸簡化為面接觸，且采用Fixed 連接，主梁上小車軌道與小車行走車輪默認自動約束，主梁與端梁固定位置施加Bonded 約束，具體施加載荷的位置如圖4 所示。經過計算，小車架電動葫蘆安裝表面A、B 處的受力為 FA = FB =(3 750 kg + 500 kg) × 9.8 N/kg ÷ 2 = 20 825 N，橋架主梁下翼板操縱室固定槽鋼面C、D 處的受力為FC = FD = 1 300 kg × 9.8 N/kg ÷ 2 = 6 370 N。

橋架結構模型經過靜力分析求解，等效應力云圖如圖5 所示。從分析結果可知，橋架結構在上述約束和靜加載條件下，最大等效應力值為112.57 MPa，發生在主梁小車軌道面與車輪接觸的位置。根據一般靜載條件下，塑性材料安全系數ns 可取值范圍1.5～2，這里取主梁上小車軌道材料安全系數ns = 2，其許用應力 ［σ］ = σs/ns = 250 MPa/2 = 125 MPa ＞112.57 MPa，另外，小車架所受最大等效應力為56.086 MPa，發生在小車架行走車輪與銷軸接觸位置，端梁所最大等效應力為72.239 MPa，發生在操縱室側的大車車輪與銷軸接觸部位，兩個最大等效應力都小于其材料許用應力117.5 MPa(235 MPa ÷2)，所以該橋架結構強度是滿足設計要求的。

圖4 施加載荷位置及大小

圖5 橋架結構等效應力云圖

2 橋式起重機橋架結構疲勞壽命分析

2.1 疲勞壽命分析與ANSYS/FE-SAFE

疲勞是在多次重復變化的動載荷作用下，材料或結構的應力值始終低于強度極限就可能出現裂紋甚至斷裂的現象，常用疲勞壽命來表述。疲勞壽命主要用來表征材料產生疲勞裂紋或完全斷裂的載荷歷程，常用的計算方法是應力法，該方法是基于疲勞損傷累計理論和材料的應力-壽命曲線，通過已知或設定應力和應力集中系數，計算獲取材料或結構的疲勞總壽命［4］。橋式起重機橋架結構的疲勞屬于高周疲勞，所以這里采用的是名義應力法進行分析，工程實際中通常以動載荷循環次數或工作時間作為評價指標。材料發生疲勞是一個復雜的過程，它跟平均應力的大小及分布情況、構件尺寸、載荷作用方式及結構表面質量都有關系，手動是無法精確計算或者測量的，所以只有通過計算機仿真軟件進行疲勞壽命分析，實現結構的安全壽命設計或優化，提高整機的可靠性。

ANSYS/FE-SAFE 就是一款結構疲勞耐久性分析軟件，可對結構、材料進行全面的疲勞分析，比如基于S-N 曲線的疲勞分析、 應變-壽命的疲勞分析、高溫疲勞分析以及高精度的多軸疲勞分析等。AN SYS/FE-SAFE 疲勞分析過程包括靜力分析、 靜力分析結果讀入、材料參數定義、疲勞載荷定義、疲勞計算及結果查看等步驟［5］，它能方便地利用ANSYS 軟件強大的前后處理功能，繪制所需疲勞壽命云圖和給定壽命下的安全系數云圖，實際上就是基于已知或計算獲取得到的結構所受載荷，設定壽命次數，求最大應力是否滿足要求，這就是橋式起重機橋架結構進行疲勞分析的主要目的。

2.2 橋架結構疲勞壽命分析

(1)疲勞載荷及疲勞參數定義

在FE-SAFE 中讀入ANSYS 橋架結構等效應力分析.rst 云圖數據，根據實際，Loading Settings 中定義橋架結構所受疲勞載荷歷程系數為0.118，1，0.118(初始空載，小車架僅承受電動葫蘆的重量500kg，該重量占該位置總載荷的0.118)；Time history 的定義則依據橋架結構的實際工作過程，每個工作循環從地面空載開始，到額定載重，再到重物通過障礙后落到地面，整個過程運行時間4 min(該橋式起重機主要用于職業培訓及操作考試，4 min 為訓練及考試合格標準)，所以疲勞分析的載荷歷程也根據起吊、水平運行和下放三個階段的實際載荷變化歷程完成設置；接著 Analysis Settings 中，通過 Seeger 算法，在FE-SAFE 材料數據庫設定所用材料近似的材料疲勞數據包，該數據包包括抗拉強度、彈性模量等數值，完成材料定義［6］，Surface Finish 的設定，根據普通鋼材表面情況定義為 4 μm ＜ Ra ＜ = 16 μm；最后根據材料疲勞的定義，設計壽命(FOS)設為107 次(當材料的疲勞壽命超過107 次循環時，就認為是無限壽命狀態)，進行疲勞壽命分析操作。

(2)疲勞計算及結果分析

經過FE-SAFE 疲勞計算后的分析結果，在Me chanical APDL 后處理器查看可知，該橋架結構對數疲勞壽命7，也就是壽命次數是107 次，因此可認為該結構的疲勞壽命是無限長，在現有試驗條件下，該橋架結構是不會出現疲勞破壞的，疲勞壽命云圖如圖6 所示。此外，給定壽命條件下橋架結構疲勞安全系數最小值為1.958，安全系數是足夠大的，滿足設計要求，疲勞安全系數云圖如圖7 所示。

圖6 疲勞壽命云圖

圖7 疲勞安全系數云圖

3 結語

本文首先在Creo Parametric3.0 雙梁橋式起重機設計建模的基礎上，利用ANSYS Workbench 對橋架結構進行了結構線性靜力分析，結果發現該橋架結構最大應力值為112.57 MPa，在材料的許用應力范圍內，是安全的。接著在ANSYS/FE-SAFE 中對橋架結構有限元模型進行了結構應力-疲勞壽命分析(強度因子法FOS)，節點疲勞壽命云圖顯示橋架結構最小疲勞壽命為107 次，節點疲勞安全系數云圖顯示橋架結構疲勞安全系數最小值1.958，大于1，滿足結構疲勞強度的設計要求。